JP6037519B2 - 化石燃料発電所の多変数調節のための制御システム - Google Patents

Description

［概略的技術分野］
本発明は、燃料から電気を生成するための化石燃料発電所のための制御システムに関する。

本発明は、より正確には、出力を監視し、過熱蒸気の状態のなんらかの基準が確実に尊重されるようにするための、上述のような発電所の制御装置と、そのようなシステムを備える発電所と、そのような制御システムの実行による発電所の制御プロセスとに関する。

本発明は、たとえば石炭火力発電所に適用可能である。

［先行技術］
化石燃料発電所の制御には、物理系のいくつかの変数を考慮に入れる必要がある。

発電所（図１はその概略を示す）は、燃料の供給を受ける熱源から電気を生成する。熱の生成は熱源の燃料供給ＧＣによって制御される（ここではボイラー１０３）。この熱は、回路内を循環する作動流体を液体状態から気体状態に変化させ、回路の一部にわたって作動流体が蒸気相にあるようにするために、作動流体に伝達される。調整弁（その状態はそれらの開度ＳＲによって定義される）は、タービン１１４の供給を調節可能である。その入力において、蒸気の状態は、ある圧力Ｐと、ある温度Ｔによって定義される。この蒸気は、交流発電機(alternator)１１６に機械的に接続されたタービン１１４の回転を可能にし、交流発電機１１６が電力Ｗを生成する。

図１に示される発電所は、以下の記載においてより詳しく説明される。

そのような発電所の命令を実現するための最も伝統的な手法は、整合された様々な、ＰＩ（積分比例(integral proportional)）タイプの単変数調節器を用いることを含む。調節器ＰＩは、指令値と測定値との間の誤差を調節することを可能にする閉ループ調節である。調節器ＰＩは、誤差に、比例的かつ積分的な二重の作用を及ぼす。（すなわち、誤差に固定された係数、利得を乗算する。ある時間的スパンにわたって誤差を積分し、積分された値を別の固定された係数で除算する。）このように、システムの各可変調節器は入力および出力を有する。

問題のシステムは、多変数の特性を有する（すなわち、少なくとも１つの入力が、いくつかの出力に影響を及ぼす）。上述のような単変数調節器を持つ多変数システムでは、時間とともに安定性が大きく影響を受ける。これと同じ多変数特性が、パラメータ化を困難にする。また、熱発電所の性能は、高い負荷と低い負荷との間で変化する。したがって、調節は、単変数調節器によって許容されない頑強性基準に応じなければならない。

また、Ｈ∞タイプの多変数調節器を利用することも可能である。この方法は、線形なシステムの数学的基準に従って最適な指令を設計できるようにする。しかしながら、そのようなシステムによって制御される化石燃料発電所の性能は、完全に満足できるものではない。

従来技術に存在する別の手法は、予測的指令を実行することを含む。このような制御は、二次のコスト関数の最小値をリアルタイムで計算することを必要とする。計算および記憶に必要な容量は、しばしば、既存の施設では利用不可能なものとなる。また、この手法は、導入するのに大量の手段を必要とする。

したがって、本発明の目的のひとつは、これらの不利益を解消する発電所制御システムを提案することである。

したがって、本発明の目的のひとつは、より正確には、良好なパワー力学(power dynamics)のための調節を提供する発電所制御システム（頑強性、安定性および迅速性の興味ある特性を持つもの）を提案することである。

本発明の別の目的は、この制御システムが既存の化石燃料発電所に容易に導入可能であるということである。

［発明の説明］
本発明は、これらの目的を達成することを提案する。

この目的のために、第１の態様によって、燃料から電気を生成するための化石燃料発電所の多変数調節のための制御システムが提案され、
‐アセンブリを備え、前記アセンブリは、ボイラーとその補助機関とを備え、作動流体回路における熱源として作用する燃料供給の対象を形成し、これによって、後者は前記回路の一部にわたって蒸気相にあり、
‐タービンを備え、前記タービンは蒸気圧および温度の前記蒸気によって供給され、前記タービンは電力を生成する交流発電機に機械的に接続され、前記タービンの前記蒸気供給は、前記タービンの上流に配置された調節弁の開度によって決定され、
‐前記システムは、制御変数および指令を有し蒸気圧を調節するためのループを備え、
‐前記システムは、制御変数および指令を有し電力を調節するためのループを備え、
前記制御ループの少なくとも１つは内部モデル命令タイプに基づき、前記発電所の前記内部モデルのパラメータの１つのむだ時間要素(pure delay)τを考慮し、
前記調節ループのそれぞれについて、あるループのある変数が、他方のループ内で外乱影響として考慮される。

前記第１の実施態様による本発明は、以下の特性（単独で、または技術的に可能な任意の組合せで）により有利に完成される。
‐前記蒸気圧調節ループは、電力を調節するための前記ループの変数を外乱影響として考慮するための、外乱影響の排除チェーンを含む。
‐前記蒸気圧の前記調節ループ内で外乱影響として考慮される、電力を調節するためのループの前記変数は、前記タービンの上流の調節弁の開度である。
‐前記蒸気圧の前記調節ループは、前記燃料供給と、前記燃料供給の前記蒸気圧における寄与との間の伝達関数のモデル化チェーンを含み、前記モデル化チェーンは、前記蒸気圧の前記調節ループにおいて外乱影響として考慮される電力を調節するためのループの前記変数を考慮しない。
‐前記燃料供給と、前記燃料供給の前記蒸気圧における寄与との間の前記伝達関数の前記モデル化チェーンにおける前記蒸気圧の前記調節ループにおいて、前記むだ時間要素τが考慮される。
‐前記燃料供給と、前記燃料供給の前記蒸気圧における寄与との間の伝達関数の前記モデル化チェーンは、Ｇ_１（ｓ）・ｅ^−τｓの形式であり、ただしＧ_１（ｓ）は一次の安定な関数である。
‐前記蒸気圧の前記調節ループは、蒸気圧指令からの外乱影響のない制御変数を決定するための外乱影響のない制御変数の決定チェーンを含む。
‐前記蒸気圧の前記調節ループの前記制御変数は、外乱影響のない制御変数の決定チェーンの出力から外乱影響の排除チェーンの出力を減算したものによって達成される燃料供給である。
‐前記システムは、
・外乱影響のない制御変数の決定チェーンと、
・外乱影響の排除チェーンと、
・Ｇ_１（ｓ）・ｅ^−τｓの形式の前記燃料供給と前記燃料供給の前記蒸気圧における寄与との間の伝達関数のモデル化チェーンと
を含み、ただしＧ_１（ｓ）は一次の安定な関数であり、
・前記外乱影響のない前記制御変数の前記決定チェーンは、蒸気圧指令を入力する伝達関数、Ｇ_１ ^−１（ｓ）・Ｆ_１（ｓ）のタイプの関数によって構成され、ただしＦ_１（ｓ）はＧ_１（ｓ）の次数以上の次数のフィルタであり、
・前記外乱影響の排除チェーンは伝達関数Ｇ_１ ^−１（ｓ）・Ｆ_２（ｓ）によって構成され、ただしＦ_２（ｓ）はＧ_１（ｓ）の次数以上の次数のフィルタである。
‐前記蒸気圧調節ループは、遅延のない回帰ループを含み、前記遅延のない回帰ループは、前記燃料供給の決定において、前記燃料供給と前記燃料供給の前記蒸気圧における寄与との間の伝達関数の前記モデル化チェーンのうち、前記むだ時間要素τから独立した部分を考慮するためのものである。
‐電力を調節するための前記ループにおいて外乱影響として考慮される前記圧力調節ループの前記変数は、前記蒸気圧である。
‐電力を調節するための前記ループは、積分比例調節器と、外乱影響の排除チェーンおよび指令フォローアップ予測とを含み、これは、前記蒸気圧の前記調節ループの変数を外乱影響として考慮するためのものである。
‐前記タービンの上流の調節弁の開度は、前記積分比例調節器の出力から、前記電力の前記調節ループの外乱影響の排除チェーンおよび指令フォローアップ予測の出力を減算したものによって達成される。
‐前記調節ループの、内部モデル命令タイプに基づくパラメータは、適応的調節方法によってオンラインで推定され、前記適応的調節は、前記制御システムの変数を入力する。

第２の態様によれば、本発明は化石燃料発電所を提案し、
‐前記化石燃料発電所はアセンブリを備え、前記アセンブリは、ボイラーとその補助機関とを備え、作動流体回路への熱源として作用する燃料供給の対象を形成し、これによって、後者は前記回路の一部にわたって蒸気相にあり、
‐前記化石燃料発電所はタービンを備え、前記タービンは蒸気圧および温度の前記蒸気を供給され、前記タービンは電力を生成する交流発電機に機械的に接続され、前記タービンの前記蒸気供給は、前記タービンの上流に配置された調節弁の開度によって決定され、
‐前記化石燃料発電所は、前記第１の態様による制御システムを備える。

第３の態様によれば、本発明は第２の態様による化石燃料発電所の制御プロセスを提案し、
‐前記蒸気圧は、蒸気圧を調節するためのループによって調節され、
‐前記電力は、電力を調節するためのループによって調節され、
前記調節ループの少なくとも１つは、前記発電所の内部モデルのパラメータの１つのむだ時間要素τを考慮する内部モデル命令タイプに基づき、
前記調節ループのそれぞれについて、あるループのある変数が、他方のループ内で外乱影響として考慮される。

［図面の提示］
本発明の他の態様、目的および利点は、以下の詳細な説明から明らかとなる。また、本発明は、添付の図面（非限定的な例示として与えられる）とともにこの説明が考慮されるときに、この説明に関連してより明確に理解される。

当業者に既知の化石燃料発電所の要約された略図である。 本発明によるシステムの第１の実施形態による過熱蒸気圧Ｐの調節のためのダイヤグラムを例示する。 本発明によるシステムの第２の実施形態による過熱蒸気圧Ｐのための調節ダイヤグラムを例示する。 本発明によるシステムの２つの実施形態に対応して生成される電力Ｗの調節のためのダイヤグラムである。 本発明によるシステムの第１の実施形態に対応する適応的調節のためのダイヤグラムである。 本発明の第１の実施形態による制御システムと、Ｈ∞タイプのシステムとの比較による、電力の生成の梯形(echelon)に応じたいくつかの大きさの時間的展開の曲線である。 本発明の第１の実施形態による制御システムと、Ｈ∞タイプのシステムとの比較による、電力の生成の梯形(echelon)に応じたいくつかの大きさの時間的展開の曲線である。

以下、本発明は、特定の（ただし非限定的な）石炭火力発電所の制御システムの範囲内で、詳細に説明される。

［詳細な説明］
図１は、化石燃料発電所１００の要約され単純化されたダイヤグラムである。実線の矢印１０７は、液相および気相双方の作動流体の循環を表す。この作動流体は熱伝達流体であり、水であることが多い。したがって、単純化の利益のために、本明細書の記載において作動流体は水とする。単純化された動作原理は次のようなものである。

燃料供給ＧＣは、ボイラー１０３およびその補助機関を備えるアセンブリ１０２に燃料を向けさせる。燃料は処置を受け、その後それ自体が燃焼する。燃料の燃焼は熱を放出し（白い矢印１０５で表す）、これはとくに熱交換器１０４のチューブ内を循環する水に伝達される。この水は蒸気状態に変化する。バルーン１０６は液体の水を蒸気から分離し、蒸気は過熱器１０８のアセンブリ内にある(partant)。過熱器１０８は、水注入システム１１０を介して追加の水の注入を受けることができ、そのアクチュエータの１つにより過熱・過熱低減水Ｑ_ＤＳＨＴの注入の制御が可能になる。

アセンブリ１０８の過熱器内で、水の温度および圧力は急激に上昇する。水は過熱蒸気状態に変化する。この蒸気は、タービンの第１ボディの上流に配置された調節弁１１２（その開度はパラメータＳＲにより定義される）を通過してタービン１１４へと運搬される。調節弁１１２とタービン１１４との間において、過熱蒸気は温度Ｔおよび圧力Ｐを有する。

タービンの高圧ボディＨＰに入ると、蒸気は緩和(relaxation)を受け、この緩和はタービンホイールの回転を可能にする。その後、水は、平均圧力ＭＰのボディに再合流する前に、再過熱器を介してシステム１０８に戻り、その後タービンの低圧ボディＢＰ。ボディＭＰおよびＢＰの内部では、同様の緩和現象がタービンホイール１１４の回転を可能にする。このような回転が交流発電機１１６を駆動し、電力Ｗを生成する。緩和された蒸気がタービンを通過し終えると、凝縮器１１８へと許容され、そこで冷却される。その後、それは液体状態となり、新たなサイクルを開始可能である。

本出願人は、化石燃料発電所は非線形方程式によって制御され、従来技術の制御システムはその不十分な線形近似を作成していることに気付いた。この非線形性は、とくに、制御されるべき大きさに対する燃料供給ＧＣの効果に影響するむだ時間要素(pure delay)に起因する。

また、燃料供給ＧＣは強い電力要求の間に振動するので、ボイラー１０３と、ボイラー１０３の排気レベルにおいて存在する浄化要素とに大きなストレスを起こす。

本出願人は、本発明が、ボイラーおよび浄化要素に過度のストレスを起こさない燃料供給を生成し、それらのサービス寿命を延長するということに気付いた。また、本発明は、燃料の、搬送、処理および起こり得る加熱の結果として生じる遅延の存在に固有の問題を回避する。

石炭火力発電所の制御システムの事象における本発明の第１の実施形態は、図２および４によって例示される。

この実施形態によれば、制御システムは石炭火力発電所に関連し、その動作は上記の図１に対応する。制御されるべきシステムは多変数タイプのものである。

システムへの入力は、
‐タービン上流の調節弁の開度ＳＲ（ｔ）
‐石炭供給ＧＣ（ｔ）
‐過熱・過熱低減水の注入Ｑ_ＤＳＨＴ（ｔ）
である。

システムの出力は、
‐生成される電力Ｗ（ｔ）
‐過熱蒸気圧Ｐ（ｔ）
‐過熱蒸気の温度Ｔ（ｔ）
である。

システムの動的性能の特定は、物理法則に基づく、線形化された、以下の各方程式から導出される。

‐電力Ｗについて、Ｗ（ｔ）＝ａ・ＳＲ（ｔ）＋ｂ・Ｐ（ｔ）

したがって、Ｗは調節弁の開度ＳＲおよび蒸気圧Ｐ（本実施形態では過熱蒸気圧）に線形に依存する。係数ａおよびｂは、実験的考慮および発電所の特性に従い、かつ、安全性、効率、および設備のサービス寿命の考慮に従って定義される係数である。たとえば、ａおよびｂは、それぞれ、可能な値として０．７７および３．４を持つ。

‐過熱蒸気圧Ｐについて、

Ｔ_１、Ｋ_１、Ｔ_２およびＫ_２と、むだ時間要素τは定数である。これらは、実験的考慮および発電所の特性に従い、かつ、安全性、効率、および設備のサービス寿命の考慮に従って定義される。たとえば、可能な例として、これらの定数の値は、それぞれ、Ｔ_１＝１９０、Ｋ_１＝１．８、Ｔ_２＝１９３、Ｋ_２＝−０．３２６、τ＝１００である。Ｐ_１（ｔ）およびＰ_２（ｔ）は、それぞれ、蒸気圧Ｐにおける燃料供給ＧＣおよび調節弁の開度ＳＲの寄与を表す。

‐過熱蒸気の温度（Ｔ）について、

本発明のこの実施形態によれば、目的は内部モデル制御方法を発電所に適応させることであり、これは、発電所の制御システムが、制御されるべき物理プロセスの表現を含まなければならないということにおいて定義される。

本発明の本実施形態は、
‐図２に示される、過熱蒸気圧Ｐの調節ループ２００
‐図４に示される、電力Ｗの調節ループ４００
を備える。

調節ループ２００および４００のそれぞれについて、ループの１変数が、他方のループにおける外乱影響(disturbing influence)として考慮される。また、これらのループはそれぞれ制御変数を含み、この制御変数の動作が発電所の性能を調節する。

図２は、説明される本発明の第１の実施形態に対応する過熱蒸気圧Ｐの調節ループ２００を示す。調節ループ２００は、外乱影響の排除チェーン２０２と、外乱影響のない制御変数の決定チェーン２０４と、伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}（燃料供給ＧＣと、燃料供給ＧＣの蒸気圧Ｐに対する寄与Ｐ１との間のもの）のモデル化チェーン２０６とを含む。

本記載における外乱影響の排除チェーンとは、調節ループにおいて入力変数を外乱影響として考慮し、これを排除することを目的とした調節ループ要素を意味する（すなわち、当該調節ループの制御変数の決定の上流でこれを考慮することにより影響を除外する）。

調節ループ２００の入力は、指令圧力としての基準圧力Ｐ_ＲＥＦであり、その値は、とくに、発電所の特性に従い、かつ、安全性、効率、および設備のサービス寿命の考慮に従って固定される。調節ループ２００の出力は過熱蒸気圧Ｐであり、タービン１１４の上流の調節弁の開度ＳＲを、排除すべき外乱影響として考慮する。

図２の機能ダイヤグラムは実チェーン２０８を示す。実チェーン２０８の伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}およびＨ_{ＳＲ−Ｐ２}は、図１に記載されるような発電所１００の設備の実際の動作を表す。実チェーン２０８のこの表現は、過熱蒸気圧Ｐを２つの成分Ｐ１およびＰ２に分解する。圧力の第１の成分Ｐ１は、石炭供給ＧＣに依存する成分であり、調節弁の開度ＳＲを考慮しない。したがって、Ｐ１は、蒸気圧Ｐにおける燃料供給ＧＣの寄与を表す。圧力の第２の成分Ｐ２は、調節弁の開度ＳＲに依存する成分である。したがって、Ｐ２は、蒸気圧Ｐにおける調節弁ＳＲの開度の寄与を表す。

実チェーン２０８は、ここでは、２つの伝達関数を含む。伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}は、燃料供給ＧＣから蒸気圧Ｐにおける後者の寄与Ｐ１にリンクする関数である。伝達関数Ｈ_{ＳＲ−Ｐ２}は、調節弁の開度ＳＲから蒸気圧Ｐにおける後者の寄与Ｐ２にリンクする関数である。

モデル化チェーン２０６は、石炭供給ＧＣと、石炭供給ＧＣの蒸気圧Ｐにおける寄与Ｐ１との間の伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}をモデル化する。このモデル化チェーン２０６は、出力Ｗの調節ループ４００から来る調節弁の開度ＳＲを考慮しない。

蒸気圧Ｐの調節ループ２００はむだ時間要素τを考慮する。石炭供給ＧＣと圧力Ｐとの間のむだ時間要素τは、石炭供給ＧＣと、燃料供給ＧＣの蒸気圧Ｐにおける寄与Ｐ１との間の伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}のモデル化チェーン２０６において考慮される。伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}のモデル化は、Ｇ_１（ｓ）・ｅ^−τｓの形式である。ただしＧ_１（ｓ）は一次の安定な関数であり、可逆である。現時点では、当業者にとって、また本明細書の記載について、変数にｓを持つこれらの関数はラプラス変換である。

モデル化チェーン２０６の出力の大きさが蒸気圧Ｐから減算され、外乱影響の排除チェーン２０２の入力が取得される。

外乱影響のない制御変数の決定チェーン２０４は、蒸気基準圧力Ｐ_ＲＥＦの指令を入力する伝達関数と、Ｇ_１ ^−１（ｓ）・Ｆ_１（ｓ）のタイプの関数とによって構成される。ただし、Ｆ_１（ｓ）は

のタイプのフィルタであり、λ_１＞０であり、ｎはＧ_１ ^−１（ｓ）の次数より大きい。

外乱影響の排除チェーン２０２は伝達関数Ｇ_１ ^−１（ｓ）・Ｆ_２（ｓ）によって構成される。ただし、Ｆ_２（ｓ）は

のタイプのフィルタであり、λ_２＞０であり、ｍはＧ_１ ^−１（ｓ）の次数より大きい。この結果は、外乱影響のない制御変数の決定チェーン２０４のものから減算され、石炭供給ＧＣが取得される。

要約すると、図２に示すシステムにおいて、基準圧力指令Ｐ_ＲＥＦは、Ｇ_１ ^−１（ｓ）・Ｆ_１（ｓ）のタイプの伝達関数を通過し、その後、この伝達関数の出力から、外乱影響の排除チェーン２０２の出力が減算される。

結果として得られる燃料供給ＧＣは、その後、伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}の入力として取得され、その出力が、調節弁の開度ＳＲを入力とする伝達関数Ｈ_{ＳＲ−Ｐ２}の出力に加算される。

Ｐ＝Ｐ_１＋Ｐ_２であるので、これらの出力（それぞれ、圧力Ｐにおける燃料供給ＧＣおよび調節弁の開度ＳＲの寄与Ｐ_１およびＰ_２を表す）の和は、これと同じ圧力Ｐとなる。Ｇ_１（ｓ）・ｅ^−τｓのタイプのモデル化２０６の伝達関数は、燃料供給ＧＣを入力として取り、その出力は圧力Ｐにおいて減算される。

この減算の結果は、Ｇ_１ ^−１（ｓ）・Ｆ_２（ｓ）のタイプの外乱影響の排除伝達関数２０２に対する入力であり、その出力は、上述のように基準圧力指令Ｐ_ＲＥＦを入力するＧ_１ ^−１（ｓ）・Ｆ_１（ｓ）のタイプの伝達関数２０４の出力から減算される。

図４は、上述の実施形態に対応する電力Ｗの調節ループ４００を示す。電力の調節ループ４００は、積分比例調節器４０２と、外乱影響の排除チェーンおよび指令フォローアップ予測４０４とを含む。

調節ループ４００は、電力の指令Ｗ_ＲＥＦを入力し、その値は、とくに、発電所負荷および電力需要の関数として、また、発電所の物理的特性の関数として、固定される。

調節ループ４００の出力は電力Ｗであり、過熱蒸気圧Ｐ（蒸気圧Ｐの調節ループ２００の変数である）を外乱影響として考慮する。図４の機能ダイヤグラムは実チェーン４０６を示し、その関数は、図１に記載されるような発電所１００の設備の実際の動作を、調節弁の開度ＳＲと電力Ｗとの間の伝達関数Ｈ_ＳＲ−Ｗの形式で表す。

積分比例調節器４０２は、電力の指令Ｗ_ＲＥＦと、発電所が生成する電力Ｗとの間の差分εを入力する。

外乱影響の排除チェーンおよび指令フォローアップ予測４０４は、電力の基準指令Ｗ_ＲＥＦと、蒸気圧Ｐとを入力し、後者の変数は排除すべき外乱影響として考慮される。蒸気圧Ｐは、発電所の内部モデルの係数ｂによって乗算される。この係数ｂは、方程式Ｗ（ｔ）＝ａ・ＳＲ（ｔ）＋ｂ・Ｐ（ｔ）において、蒸気圧Ｐを電力Ｗに接続するものである。この結果は、電力の基準指令Ｗ_ＲＥＦから減算される。

この減算の結果は、発電所の内部モデルの係数ａによって除算される。この係数ａは、方程式Ｗ（ｔ）＝ａ・ＳＲ（ｔ）＋ｂ・Ｐ（ｔ）において調節弁の開度ＳＲを電力Ｗに接続するものである。

タービン１１４の上流の調節弁の開度ＳＲは、積分比例調節器４０２の出力から、電力Ｗの調節ループ４００の外乱影響の排除チェーンおよび指令フォローアップ予測４０４の出力を減算したものにおいて達成される。

このように、調節ループ４００によって示される電力Ｗの調節は、電力指令Ｗ_ＲＥＦの予測と、過熱蒸気圧Ｐの予測とによって行われる。実際に、電力の性能を司る方程式は、動的な影響がないことを示す。

要約すると、図４に示すシステムにおいて、調節器ＰＩは、電力の基準指令Ｗ_ＲＥＦから電力Ｗを減算したものを入力する。この調節器は、電力Ｗのモデル化誤差を排除する。

電力の基準指令Ｗ_ＲＥＦから、蒸気圧Ｐにｂを乗算したものを減算したものは、また、外乱影響の排除チェーンおよび指令フォローアップ予測４０４内の係数ａによって除算される。

この外乱影響の排除チェーンおよび指令フォローアップ予測４０４の結果は、調節器ＰＩの出力から減算され、調節弁の開度ＳＲを与える。

調節弁の開度ＳＲは、電力Ｗを出力する制御されるべきシステムの伝達関数Ｈ_ＳＲ−Ｗに対する入力である。

上述のように、本発明によって記載される制御システムは、化石燃料発電所において用いられるプロセスのモデルに基づく。これらのモデルの様々なパラメータは、現場での測定値から導出できる。蒸気圧Ｐの調節ループ２００の伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}およびＨ_{ＳＲ−Ｐ１}を特定するために、たとえばＳｔｒｅｊｃ法が適用可能である。生成される電力Ｗの伝達関数Ｈ_ＳＲ−Ｗについては、最小二乗法を用いることができる。

本発明の追加の利点は、以下に図５によって例示するように、蒸気圧Ｐの調節ループ２００への適応的調節の適用を可能にすることである。パラメータのオンライン推定は、たとえばＡＲＸ法（外部入力を伴う自己回帰モデルに対応する英語Auto Regressive model with eXternal inputsより）により実行可能である。

温度の動的モデル化は信頼性がないので、過熱蒸気の温度制御ＴはＨ∞タイプの調節器により実行される。このように、調節器Ｈ∞の本質的な頑強性は、まさにこのケースにおいて興味深い。

その場合、制御すべき大きさの調整された多変数調節を生成するために、様々な調節規則が関連付けられる。

本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態において記載したものにおいて、図２に示す蒸気圧Ｐの調節ループ２００を図３に示す蒸気圧Ｐの調節ループ３００で置き換えたものと等価なシステムに対応する。

図３は、以下に記載する本発明の第２の実施形態に対応する、過熱蒸気圧Ｐの調節ループ３００を示す。調節ループ３００は、外乱影響の排除チェーン３０２と、制御変数の決定チェーン３０４と、伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}（燃料供給ＧＣと、燃料供給ＧＣの蒸気圧Ｐにおける寄与Ｐ１との間のもの）のモデル化チェーン３０６と、遅延のない回帰ループ３１６とを含む。

調節ループ３００は、基準圧力Ｐ_ＲＥＦを圧力指令として入力する。その値は、とくに、発電所の特性に従い、かつ、安全性、効率、および設備のサービス寿命の考慮に従って固定される。

調節ループ３００は過熱蒸気圧Ｐを出力し、タービン１１４の上流の調節弁の開度ＳＲを、排除すべき外乱として考慮する。図３の機能ダイヤグラムは実チェーン３０８を示す。実チェーン３０８の関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}およびＨ_{ＳＲ−Ｐ２}は、図１に記載されるような発電所１００の設備の実際の動作を表す。実チェーン３０８のこの表現は、過熱蒸気圧Ｐを２つの成分Ｐ１およびＰ２に分解する。圧力の第１の成分Ｐ１は、石炭供給ＧＣに依存する成分であり、調節弁の開度ＳＲを考慮しない。圧力の第２の成分Ｐ２は、調節弁の開度ＳＲに依存する成分であり、石炭供給ＧＣを考慮しない。

実チェーン３０８は、ここでは、２つの伝達関数からなる。伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}は、燃料供給ＧＣを、蒸気圧Ｐにおける後者の寄与Ｐ１にリンクする関数である。伝達関数Ｈ_{ＳＲ−Ｐ２}は、調節弁の開度ＳＲを、蒸気圧Ｐにおける後者の寄与Ｐ２にリンクする関数である。

モデル化チェーン３０６は、石炭供給ＧＣと、石炭供給ＧＣの蒸気圧Ｐにおける寄与Ｐ１との間のＨ_{ＧＣ−Ｐ１}をモデル化する。このモデル化チェーン３０６は、出力Ｗの調節ループ４００から来る変数ＳＲを考慮しない。

蒸気圧Ｐの調節ループ３００はむだ時間要素τを考慮する。むだ時間要素τは、燃料供給ＧＣと、燃料供給ＧＣの蒸気圧Ｐにおける寄与Ｐ１との間の伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}をモデル化するチェーンであるモデル化チェーン３０６において考慮される。

ＧＣとＰ１との間の伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}のモデル化は、Ｇ_１（ｓ）・ｅ^−τｓの形式である。ただしＧ_１（ｓ）は一次の安定な関数であり、可逆である。しかしながら、これは、２つの伝達関数Ｇ_１（ｓ）およびｅ^−τｓに分解され、Ｇ_１（ｓ）はモデル化チェーン３０６においてｅ^−τｓの上流に配置され、Ｇ_１（ｓ）はむだ時間要素τから独立な要素であり、ｅ^−τｓはむだ時間要素に対応する要素である。モデル化チェーン３０６の出力の大きさは、蒸気圧Ｐにおいて減算され、外乱影響の排除チェーン３０２の入力が生成される。

圧力Ｐの調節ループ３００は、遅延のない回帰ループ３１６を含む。遅延のない回帰ループ３１６は、むだ時間要素τから独立したモデル化の要素に対応するモデル化チェーン３０６の伝達関数Ｇ_１（ｓ）の出力における大きさを入力する。したがって、出力におけるこの大きさは、値Ｇ_１（ｓ）・ＧＣ（ｓ）を有する。後者の値は、遅延のない回帰ループ３１６によって、制御変数の決定チェーン３０４のレベルにおける過熱蒸気圧Ｐ_ＲＥＦの指令から減算される。外乱影響の排除チェーン３０２は、蒸気圧Ｐにおいて適用される伝達関数Ｒ_２（ｓ）をモデル化する。伝達関数Ｒ_２（ｓ）は、外乱影響に対する応答を定義する。Ｒ_２（ｓ）は、１−Ｍ（ｓ）・ｅ^−Ｌ・ｓの形式である。

これは、次の条件を検証する：
‐関数１−Ｍ（ｓ）・ｅ^−Ｌ・ｓの各ゼロ点は、Ｇ_１（ｓ）の最も遅い各極(the slowest poles)を補償しなければならない
‐Ｍ（０）＝−１
‐Ｍ（ｓ）の各極は、好ましい動力(preferred dynamic)を生成するために配置される。

その結果は、過熱蒸気圧の指令Ｐ_ＲＥＦから減算される。

制御変数の決定チェーン３０４は、過熱蒸気圧の指令Ｐ_ＲＥＦを入力する。外乱影響の排除チェーン３０２の結果と、遅延のない回帰ループ３１６の結果とが、過熱蒸気圧の指令Ｐ_ＲＥＦから減算される。これらの比較の結果として得られる大きさに、伝達関数Ｒ_１（ｓ）を適用することにより、燃料供給ＧＣが達成される。この制御変数の決定チェーン３０６の伝達関数Ｒ_１（ｓ）は、指令フォローアップの動力(dynamic)を定義するものであり、たとえばＰＩＤ（比例積分微分）タイプの調節器であってもよい。

要約すると、図３に示すシステムにおいて、基準圧力指令Ｐ_ＲＥＦから、外乱影響の排除チェーン３０２の出力が減算され、その後、遅延のないループ３１６の出力が減算される。これら２回の減算が完了した結果は、伝達関数Ｒ_１（ｓ）を通過し、燃料供給ＧＣを与える。

この燃料供給ＧＣは、制御されるべきシステムの伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}を通過し、蒸気圧Ｐにおける燃料供給ＧＣの寄与Ｐ_１を与える。

調節弁の開度ＳＲは、制御されるべきシステムの伝達関数Ｈ_{ＳＲ−Ｐ２}を通過し、蒸気圧Ｐにおける調節弁の開度ＳＲの寄与Ｐ_２を与える。

燃料供給ＧＣおよび調節弁の開度Ｓそれぞれの寄与Ｐ_１およびＰ_２の和が、蒸気圧Ｐを与える。

燃料供給ＧＣは伝達関数Ｇ_１（ｓ）を通過する。その出力は、上述のように、遅延のないループ３１６によって回帰されるとともに、伝達関数ｅ^−τ・ｓの入力となる（その出力は過熱蒸気圧Ｐから減算される）。この減算の結果は外乱影響の排除チェーン３０２の伝達関数Ｒ_２（ｓ）を通過し、その出力は上述のように基準圧力指令Ｐ_ＲＥＦから減算される。

図５は、第１の実施形態の範囲内で、当業者に既知の適応的調節を実行する可能性を示す。これは、蒸気圧Ｐの調節ループ２００に対する適応的調節の、非限定的な可能な適用を提示する。

図５は、システムの変数（蒸気圧Ｐの調節ループ２００に存在する可能性があるもの。たとえば燃料供給ＧＣ、調節弁の開度ＳＲおよび蒸気圧Ｐ）を入力する適応的調節を示す。

これらの変数の測定値から、適応的調節は、蒸気圧Ｐの調節ループ２００のパラメータのオンライン推定を実行することができる（たとえば、外乱影響の排除チェーン２０２、外乱影響のない制御変数の決定チェーン２０４、および、燃料供給ＧＣと燃料供給ＧＣの蒸気圧Ｐにおける寄与Ｐ１との間の伝達関数Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}のモデル化チェーン２０６の、各伝達関数に存在するもの）。入力変数の測定値は、定期的に着手され(undertaken)、適応的調節によってオンラインで推定されるパラメータによって取得された値を更新する。

パラメータのオンライン推定は、たとえばＡＲＸ法（外部入力を伴う自己回帰モデルに対応する英語Auto Regressive model with eXternal inputsより）により実行可能である。特定の特徴が図３に示される本発明の第２の実施形態についても、等価な適応的調節が可能である。

図６Ａおよび６Ｂは、本発明の第１の実施形態による制御システムによって制御される石炭火力発電所からの応答と、Ｈ∞タイプの調節器による制御システムによるものとの間の比較を示す。

図６Ａは、生成される電力Ｗおよび蒸気圧Ｐについて、電力Ｗの指令の梯形に応じた、本発明による調節（実線）と、Ｈ∞タイプの調節（破線）との比較を示す。本発明によるシステムは、出力Ｗのより良好なフォローアップを可能にし、とくに迅速で、振動を抑制する。１５５バールの指令に対する振動がより小さいところでは、蒸気圧Ｐはより良好に調節されている。

図６Ｂは、図６Ａと同じ電力の梯形に応じた燃料供給ＧＣと調節弁の開度ＳＲについての、本発明による調節（実線）と、Ｈ∞タイプの調節（破線）との比較を示す。

本発明によるシステムは、燃料供給ＧＣにおける振動の顕著な低減を可能にする。この制御品質は、ボイラー１０３およびその補助機関を備えるアセンブリ１０２に対するストレスを低減し、浄化要素の最適な活用を可能にする。発電所１００の、本発明によるシステムによる調節は、より動的であり、ボイラー１０３のストレスを確実に低減する。

第２の態様によれば、本発明は、化石燃料発電所であって、
‐前記化石燃料発電所はアセンブリ１０２を備え、前記アセンブリ１０２は、ボイラー１０３とその補助機関とを備え、作動流体回路への熱源として作用する燃料供給ＧＣの対象を形成し、これによって、後者は前記回路の一部にわたって蒸気相にあり、
‐前記化石燃料発電所はタービン１１４を備え、前記タービン１１４は蒸気圧Ｐおよび温度Ｔの前記蒸気を供給され、前記タービン１１４は電力Ｗを生成する交流発電機１１６に機械的に接続され、前記タービン１１４の前記蒸気供給は、前記タービン１１４の上流に配置された調節弁の開度ＳＲによって決定され、
‐前記化石燃料発電所は、前記第１の態様による制御システムを備える、
化石燃料発電所を提案する。

第３の態様によれば、本発明は、第２の態様による化石燃料発電所の制御プロセスであって、
‐前記蒸気圧Ｐは、蒸気圧Ｐを調節するためのループによって調節され、
‐前記電力は、電力Ｗを調節するためのループによって調節され、
各前記調節ループは発電所の内部モデル制御に基づき、
前記調節ループの１つは、前記発電所の内部モデルのパラメータの１つのむだ時間要素τを考慮し、
前記調節ループのそれぞれについて、あるループのある変数が、他方のループ内で外乱影響として考慮される、化石燃料発電所の制御プロセスを提案する。

より一般的には、本発明の第３の態様は、化石燃料発電所における第１の態様による任意の制御システムの実行と、第１の態様による制御プロセスによって実行される化石燃料発電所の任意の制御プロセスとに関連する。

Claims (15)

1. 燃料から電気を生成するための化石燃料発電所の多変数調節のための制御システムであって、
   ‐前記発電所はアセンブリ（１０２）を備え、前記アセンブリ（１０２）は、ボイラー（１０３）と、前記ボイラー（１０３）の補助機関とを備え、作動流体回路への熱源として作用する燃料供給（ＧＣ）の対象を形成し、これによって、前記作動流体は前記回路の一部にわたって蒸気相にあり、
   ‐前記発電所はタービン（１１４）を備え、前記タービン（１１４）は蒸気圧（Ｐ）および温度（Ｔ）の前記蒸気を供給され、前記タービン（１１４）は電力（Ｗ）を生成する交流発電機（１１６）に機械的に接続され、前記タービン（１１４）の前記蒸気供給は、前記タービン（１１４）の上流に配置された調節弁の開度（ＳＲ）によって決定され、
   ‐前記制御システムは、制御変数および指令（Ｐ_ＲＥＦ）を有する、蒸気圧（Ｐ）の調節ループ（２００、３００）を備え、
   ‐前記制御システムは、制御変数および指令（Ｗ_ＲＥＦ）を有する、電力（Ｗ）の調節ループ（４００）を備える
   制御システムにおいて、
   前記調節ループ（２００、３００、４００）の少なくとも１つは内部モデル命令タイプに基づき、前記制御システムは制御されるべき物理プロセスの表現を含むということにおいて定義され、前記発電所の内部モデルのパラメータの１つのむだ時間要素τが考慮され、
   前記調節ループ（２００、３００、４００）のそれぞれについて、あるループのある変数が、他方のループ内で外乱影響として考慮され、
   前記蒸気圧（Ｐ）の前記調節ループ（２００、３００）は、前記燃料供給（ＧＣ）と、前記燃料供給（ＧＣ）の前記蒸気圧（Ｐ）における寄与（Ｐ１）との間の伝達関数（Ｈ _{ＧＣ−Ｐ１} ）のモデル化チェーン（２０６、３０６）を含み、
   前記モデル化チェーン（２０６、３０６）は、前記蒸気圧（Ｐ）の前記調節ループ（２００、３００）において外乱影響として考慮される電力（Ｗ）の前記調節ループ（４００）の前記変数を考慮しない、
   ことを特徴とする、制御システム。
2. 前記蒸気圧（Ｐ）の前記調節ループ（２００、３００）は、電力（Ｗ）を調節するための前記ループの変数を外乱影響として考慮するための、外乱影響の排除チェーン（２０２、３０２）を含む、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記蒸気圧（Ｐ）の前記調節ループ内で外乱影響として考慮される、前記電力（Ｗ）の前記調節ループ（４００）の前記変数は、前記タービン（１１４）の上流の調節弁の開度（ＳＲ）である、請求項１または２に記載の制御システム。
4. 前記燃料供給（ＧＣ）と、前記燃料供給（ＧＣ）の前記蒸気圧（Ｐ）における寄与（Ｐ１）との間の前記伝達関数（Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}）の前記モデル化チェーン（２０６、３０６）における前記蒸気圧（Ｐ）の前記調節ループ（２００、３００）において、前記むだ時間要素τが考慮される、請求項１に記載の制御システム。
5. 前記燃料供給（ＧＣ）と、前記燃料供給（ＧＣ）の前記蒸気圧（Ｐ）における寄与（Ｐ１）との間の伝達関数（Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}）の前記モデル化チェーン（２０６）は、Ｇ_１（ｓ）・ｅ^−τｓの形式であり、ただしＧ_１（ｓ）は一次の安定な関数である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の制御システム。
6. 前記蒸気圧（Ｐ）の前記調節ループ（２００）は、蒸気圧（Ｐ_ＲＥＦ）指令からの外乱影響のない制御変数を決定するための外乱影響のない制御変数の決定チェーン（２０４）を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の制御システム。
7. 前記蒸気圧（Ｐ）の前記調節ループ（２００）の前記制御変数は、外乱影響のない前記制御変数の決定チェーン（２０４）の出力から外乱影響の排除チェーン（２０２）の出力を減算したものによって達成される燃料供給（ＧＣ）である、請求項２を引用する場合の請求項６に記載の制御システム。
8. 前記システムは、
   ‐外乱影響のない制御変数の決定チェーン（２０４）と、
   ‐外乱影響の排除チェーン（２０２）と、
   ‐前記燃料供給（ＧＣ）と、前記燃料供給（ＧＣ）の前記蒸気圧（Ｐ）における寄与（Ｐ１）との間のＧ_１（ｓ）・ｅ^−τｓの形式の伝達関数（Ｈ_{ＧＣ−Ｐ１}）のモデル化チェーン（２０６）と
   を含み、ただしＧ_１（ｓ）は一次の安定な関数であり、
   ‐前記外乱影響のない前記制御変数の前記決定チェーン（２０４）は、蒸気圧指令（Ｐ_ＲＥＦ）を入力する伝達関数、Ｇ_１ ^−１（ｓ）・Ｆ_１（ｓ）のタイプの関数によって構成され、ただしＦ_１（ｓ）はＧ_１（ｓ）の次数以上の次数のフィルタであり、
   ‐前記外乱影響の排除チェーン（２０２）は伝達関数Ｇ_１ ^−１（ｓ）・Ｆ_２（ｓ）によって構成され、ただしＦ_２（ｓ）はＧ_１（ｓ）の次数以上の次数のフィルタである、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の制御システム。
9. 前記蒸気圧（Ｐ）の前記調節ループ（３００）は、遅延のない回帰ループ（３１６）を含み、
   前記遅延のない回帰ループ（３１６）は、前記燃料供給（ＧＣ）の決定において、前記燃料供給（ＧＣ）と前記燃料供給（ＧＣ）の前記蒸気圧（Ｐ）における寄与（Ｐ１）との間の伝達関数の前記モデル化チェーン（３０６）のうち、前記むだ時間要素τから独立した部分を考慮するためのものである、
   請求項４に記載の制御システム。
10. 前記電力（Ｗ）の前記調節ループ（４００）において外乱影響として考慮される前記蒸気圧（Ｐ）の前記調節ループ（２００、３００）の前記変数は、前記蒸気圧（Ｐ）である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の制御システム。
11. 前記電力（Ｗ）の前記調節ループ（４００）は、積分比例調節器（４０２）と、外乱影響の排除チェーンおよび指令フォローアップ予測（４０４）とを含み、
    前記外乱影響の排除チェーンおよび指令フォローアップ予測（４０４）は、前記蒸気圧（Ｐ）の前記調節ループ（２００）の変数を外乱影響として考慮するためのものである、
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の制御システム。
12. 前記タービン（１１４）の上流の調節弁の開度（ＳＲ）は、前記積分比例調節器（４０２）の出力から、前記電力（Ｗ）の前記調節ループ（４００）の外乱影響の排除チェーンおよび指令フォローアップ予測（４０４）の出力を減算したものによって達成される、請求項１１に記載の制御システム。
13. 前記調節ループ（２００、３００）の、内部モデル命令タイプに基づくパラメータは、適応的調節方法によってオンラインで推定され、
    前記適応的調節は、前記制御システムの変数（ＧＣ、ＳＲ、Ｐ）を入力する、
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載の制御システム。
14. 化石燃料発電所であって、
    ‐前記化石燃料発電所はアセンブリ（１０２）を備え、前記アセンブリ（１０２）は、ボイラー（１０３）と、前記ボイラー（１０３）の補助機関とを備え、作動流体回路への熱源として作用する燃料供給（ＧＣ）の対象を形成し、これによって、前記作動流体は前記回路の一部にわたって蒸気相にあり、
    ‐前記化石燃料発電所はタービン（１１４）を備え、前記タービン（１１４）は蒸気圧（Ｐ）および温度（Ｔ）の前記蒸気を供給され、前記タービン（１１４）は電力（Ｗ）を生成する交流発電機（１１６）に機械的に接続され、前記タービン（１１４）の前記蒸気供給は、前記タービン（１１４）の上流に配置された調節弁の開度（ＳＲ）によって決定される
    化石燃料発電所において、
    前記化石燃料発電所は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の制御システムを備えることを特徴とする、化石燃料発電所。
15. 化石燃料発電所の制御プロセスであって、
    ‐前記蒸気圧（Ｐ）は、蒸気圧（Ｐ）の調節ループ（２００、３００）によって調節され、
    ‐前記電力は、電力（Ｗ）の調節ループ（４００）によって調節され、
    前記調節ループ（２００、３００、４００）の少なくとも１つは、前記発電所の内部モデルのパラメータの１つのむだ時間要素τを考慮する内部モデル命令タイプに基づき、
    前記調節ループ（２００、３００、４００）のそれぞれについて、あるループのある変数が、他方のループ内で外乱影響として考慮される
    ことを特徴とする、請求項１４に記載の化石燃料発電所の制御プロセス。

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